端帮边坡稳定性与内排压脚追踪距离变化规律研究

罗 科，刘 震，张 宇

（山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司，山西 河曲 036500）

露天矿边坡稳定性是露天矿安全、高效生产的关键，并一直是岩土工程、采矿工程等相关学科研究的热点[1]。由于端帮边坡暴露区域面积大、时间长，在外界因素的作用下，端帮边坡会发生失稳破坏，而为了减小端帮边坡暴露面积，提高端帮边坡的稳定性，许多矿山逐渐采用内排压脚支护。内排压脚支护措施对端帮边坡起到了钳制作用[2]，提高了端帮边坡的稳定性，同时也提高了矿山经济效益[3]。

马文成采用数值模拟和理论分析的方法，以五彩湾矿区一号露天矿为工程背景，分析了矿区边坡稳定性及其破坏机理，并提出了内排压脚治理技术[4]；马进岩等采用数值模拟与相似实验相结合的方法，研究了内排压脚回填参数对露天边坡稳定性的影响，分析了不同回填高度对边坡稳定性的影响[5]；王孝亮等采用理论计算的方法，确定了萌动某露天矿内排压脚回填的最优高度，提高了边坡的稳定性[6]；祁利民等采用监测手段对扎哈淖尔露天矿横采南端帮边坡进行了长时间监测，并对其进行了分析，提出了内排压脚边坡防治措施，并对内排压帮参数进行了优化[7]；胡高建等以抚顺西露天矿南帮为工程背景，采用微震及卫星监测的手段，研究了该边坡的滑移破坏轮廓，并且利用RFPA 软件确定了边坡的破坏机理，最终提出了2 阶段内排压脚的措施[8]；为了解决宝日希勒矿边坡变形失稳的问题，丁鑫品利用3DEC 离散元软件研究了内排压脚对于边坡失稳的控制作用[9]；侯殿昆等人则利用FLAC3D以及极限平衡法研究了内排土场跟踪距离对端帮边坡的钳制作用影响规律[10]。

分析上述文献可知，目前国内外专家对端帮边坡的治理都提出了内排压脚支护措施，但对于内排压脚支护与工作帮边坡追踪距离以及内排土场追踪距离与端帮边坡稳定性之间的相互关系却少有研究；因此，以河曲露天矿为工程背景，研究了矿区西端帮内排压脚追踪距离与端帮边坡稳定性之间的关系，确定了不同内排压脚追踪距离下端帮边坡滑移形式。

1 工程背景

1.1 河曲旧县露天矿概况

山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司（以下简称河曲露天矿）位于河曲县城旧县乡范家梁村、硬地峁、何家焉一带，行政区划属河曲县旧县乡。其井田南北长8.260 km，东西宽5.620 km，面积24.953 5 km2，最终开采深度为870～1 060 m，批准开采煤层8#～14#煤。

根据河曲县水文站资料，黄河历年最高水位851 m，最低水位844.38 m，枯水期流量为50 m3/s，洪水期流量为5 060 m3/s。矿田内沟谷平时基本干枯无水，只有雨季时才有洪水排泄，自东而西流入黄河，属黄河流域。

本区属黄土高原的一部分，大部分被黄土覆盖，最大厚度112.50 m，固结差，垂直节理发育。地表由于受后期风蚀，流水侵蚀作用的影响，形成以刘家沟、铺沟、旧县河为主沟的树枝状冲沟，地形复杂，支离破碎。沟谷以向源侵蚀为主，横断面上游呈“V”字型，中下游呈“U”字型，纵断面坡度较大，对集中排泄地表汇集而成的洪水起着良好的作用。首采区内沟谷仅在雨季时汇集表流形成较大流量，对冲沟产生的强烈下切侧蚀，使沟谷加长加深。在切割较深的沟谷边缘，因黄土垂直节理发育，受自重应力及流水侧蚀的影响，常见规模不大的崩落、滑塌。

黄土自然斜坡大部分在30°～40°间，在局部冲沟的沟头见有高约10 m 近直立的黄土陡壁；第三系红土层自然斜坡在40°～50°间。

西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司露天煤矿主要进行首采区的开采工作，剥离物排弃已完全由外排转为内排土场排弃作业，河曲露天矿开采现状图如图1。

图1 河曲露天矿开采现状图Fig.1 Hequ open-pit mining status map

由图1，河曲露天矿目前已开采至13#煤层，尽管内排土场已经进行了压帮处理，但端帮边坡（东、西）仍然暴露外界，受到外界因素的干扰，如雨水、爆破振动等，端帮存在一定的滑坡风险，内排压脚对端帮边坡稳定性虽能够起到一定的控制作用，但确定1 个合理的内排压脚追踪距离，不仅能够更好地起到端帮边坡稳定性控制作用，同时能够实现内排土场的最大化利用。

1.2 三维数值模型

西端帮三维数值模型如图2。

图2 三维数值模型Fig.2 Three-dimensional numerical model

河曲露天矿西端帮边坡整体高度约为133.78 m，端帮边坡上部覆盖有厚度达65.79 m 的黄土层，其底部基岩为泥岩，边坡整体角度约为36.52°，局部单台阶角度最大为69.99°。该三维数值模型沿x 方向长度为460 m，沿y 方向长度为500 m，沿z 方向高度为182 m，内排土场高度为33 m，边坡角度为25°，工作帮高度为30 m，边坡角度为15°，内排土场与工作帮之间的追踪距离为L。为研究端帮边坡稳定性与追踪距离L 之间的关系，根据所建立的模型，分别研究了L 为250、200、150、100、50 m 时端帮边坡稳定性。

2 结果分析

2.1 内排土场端帮边坡位移云图分析

内排土场不同追踪距离下端帮边坡位移云图如图3～图7。

图3 追踪距离250 m 端帮边坡位移云图Fig.3 End slope displacement cloud map for tracking distance of 250 m

图4 追踪距离200 m 端帮边坡位移云图Fig.4 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 200 m

图5 追踪距离150 m 端帮边坡位移云图Fig.5 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 150 m

图6 追踪距离100 m 端帮边坡位移云图Fig.6 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 100 m

图7 追踪距离50 m 端帮边坡位移云图Fig.7 End slope displacement cloud diagrams for tracking distance of 50 m

1）从数值模拟计算的x 方向位移云图来看，根据不同位移值可将端帮边坡划分为危险区域、次危险区域及稳定区域。分析图3～图7 中所给出的x 方向位移云图可知，随着内排压脚追踪距离L的不断减小，端帮边坡x 方向的最大位移值不断减小，根据所划分的危险区域来看，随着内排压脚追踪距离L的不断减小，危险区域逐渐向工作帮方向迁移，且危险区域面积有所增大，次危险区域由端帮边坡暴露坑底滑移。分析认为：端帮边坡上部存在较大厚度的黄土层，由于黄土层物理力学性质较差，首先发生失稳，并迫使其下部岩土体发生滑移，而随着内排压脚追踪距离的不断减小，端帮边坡受到内排土场压脚支护的区域不断增大，为黄土层下部岩土体的滑移提供了抗滑力，进而迫使上部黄土层的抗滑力提高，而未受到内排压脚支护的区域，形成了“排泄口”，并在“排泄口”的周围形成应力集中，而位于“排泄口”正上方的黄土层区域由于底部缺乏内排土场的压脚支护，抗滑力较小，首先发生失稳，形成了危险区，其底部的岩层进而形成次危险区，即随着内排压脚追踪距离L 的不断减小，端帮边坡危险区域逐渐向工作帮方向迁移，且滑体近似呈“凸”字形。

2）从数值模拟计算的z 方向位移云图来看，根据方向的不同位移值可将端帮边坡划分为主沉降区域、次沉降区域、底鼓区域以及稳定区域。分析图3～图7 中所给出的z 方向的位移云图可知，端帮边坡在重力的作用下，发生不同程度的沉降，根据沉降的位移值不同，将端帮边坡划分为主沉降区域、次沉降区域、底鼓区域以及稳定区域。主沉降区域主要位于端帮边坡黄土层位置，且随着内排压脚追踪距离L 的不断减小，主沉降区域逐渐向工作帮方向迁移，分析认为由于端帮边坡上覆黄土层物理力学性质较差，在其重力的作用下首先发生失稳破坏，进而引发周边岩土体发生破坏，形成了围绕式破坏，而端帮边坡底部由于受到内排压脚支护的影响，端帮边坡抗滑力提高，与之对应的端帮边坡区域基本处于次沉降区域，而内排土场及坑底靠近端帮边坡位置由于受到上部滑体的挤压作用，形成底鼓区域。

综合上述分析，河曲露天矿端帮边坡由于上覆黄土层的影响，滑移危险区域主要集中在黄土层，且随着内排压脚追踪距离L 的不断减小，危险区域逐渐向工作帮方向迁移，滑体近似呈“凸”字形，这也说明了内排土场压脚支护可以对端帮边坡提供一定的抗滑力，并迫使危险区域转移；在沉降方面，沉降主要发生在黄土层，内排土场及坑底靠近端帮边坡坡脚处发生了底鼓现象，这是由于端帮上覆岩土体的滑体的挤压作用形成的，且内排压脚追踪距离L的减小，主沉降区域逐渐向工作帮方向迁移，底鼓区域不断扩大。因此，内排压脚可以对端帮边坡起到一定的抗滑作用，迫使危险区域转移，但端帮边坡底部易形成底鼓现象，矿区在采取内排压脚时，必须选定1 个合理的内排压脚追踪距离。

2.2 内排土场端帮边坡最大剪切应变增量云图

端帮边坡在失稳破坏的过程中，在其潜在滑移面附近会形成变形集中区域，产生局部化的剪切变形，内排土场不同追踪距离下端帮边坡最大剪切应变增量云图如图8～图12。

图8 追踪距离250 m 端帮边坡最大剪切应变增量云图Fig.8 End slope maximum shear strain increments cloud diagram for tracking distance of 250 m

图9 追踪距离200 m 端帮边坡最大剪切应变增量云图Fig.9 End slope maximum shear strain increments cloud diagram for tracking distance of 200 m

图10 追踪距离150 m 端帮边坡最大剪切应变增量云图Fig.10 End slope maximum shear strain increment cloud diagram for tracking distance of 150 m

图11 追踪距离100 m 端帮边坡最大剪切应变增量云图Fig.11 End slope maximum shear strain incrementscloud diagram for tracking distance of 100 m

图12 追踪距离50 m 端帮边坡最大剪切应变增量云图Fig.12 End slope maximum shear strain increment cloud diagram for tracking distance of 50 m

根据图8～图12 中所给出的不同追踪距离L 下的最大剪切应变增量云图可知：当追踪距离L 小于150 m 时，最大剪切应变增量主要集中于黄土层区域，且在端帮边坡靠近坑底位置，单台阶面存在局部较大的剪切应变增量区域，当内排土场追踪距离变为100 m 和50 m 时，最大剪切应变增量主要集中在内排土场及坑底靠近端帮边坡坡底区域，黄土层区域的最大剪切应变增量较小，从数值上看，当内排压脚追踪距离大于150 m 时，最大剪切应变增量数值最大仅为0.229，而当内排要交追踪距离变为100 m 和50 m 时，最大剪切应变增量数值分别为0.579和0.608，此时的最大剪切应变增量已经有了较大的变化。分析认为当内排压脚最终距离大于150 m时，内排压脚支护此时随对端帮边坡的支护起到了一定的作用，而随着内排压脚支护的追踪距离继续减小到100 m 时，内排压脚支护作用进一步得到扩大，迫使滑体由“排泄口”滑出。

2.3 端帮边坡稳定性系数

不同追踪距离L 与端帮边坡稳定性系数的拟合函数图如图13。

图13 不同追踪距离L 与端帮边坡稳定性系数拟合函数图Fig.13 Fitting function diagram of different tracking distance L and end slope stability coefficient

由图13 给出的端帮边坡稳定性系数与不同追踪距离L 之间的函数拟合图可知，端帮边坡稳定性系数与追踪距离L 之间的函数关系服从Boltzmann函数关系式，拟合度R2为0.998 32，属于高度拟合，分析图中所给出的端帮边坡稳定性系数变化趋势可知，当内排压脚追踪距离大于150 m 时，内排压脚追踪距离的变化会引起端帮边坡稳定性系数的变化，但变化不大，而当内排压脚追踪距离由150 m变为100 m 时，端帮边坡稳定性系数由1.46 变为1.60，发生了较大变化，而后当内排压脚追踪距离由100 m 变化为50 m 时，端帮边坡稳定性系数仅由1.60 变化为1.61，仅增加了0.01，变化并不是特别明显。分析认为当内排压脚追踪距离L 由250 m 不断减小时，端帮边坡受到内排土场压脚支护的区域也不断增大，从而使得端帮边坡稳定性有所提高，而当内排压脚追踪距离由150 m 变化至100 m 时，内排压脚支护效果发生突变，从而使得端帮边坡稳定性系数发生了断崖式变化。

3 结 语

1）不同内排压脚追踪距离下，端帮边坡形成了不同的危险区域。河曲露天矿端帮边坡由于上覆岩层为厚度较大的黄土层，危险区域主要集中于黄土层，而端帮边坡部分区域受到内排土场压脚支护的作用，与之对应的黄土层区域处于次危险区域，而随着内排追踪距离的不断减小，危险区域逐渐向工作帮方向迁移，端帮边坡滑移区域也逐渐向“排泄口”靠拢，滑移区域近似呈“凸”字形。

2）不同内排压脚追踪距离下，端帮边坡形成了不同的沉降区域，并伴随有底鼓现象。受端帮边坡上覆黄土层的影响，黄土层区域发生沉降，而部分黄土层区域受到底部内排土场压脚支护的影响，沉降有所减小，形成次沉降区域，而随着内排压脚追踪距离的不断减小，压脚支护区域逐渐增大，主沉降区域减小的同时向工作帮边坡方向迁移，而坑底位置受到挤压作用，形成底鼓区域。

3）不同内排压脚追踪距离与端帮边坡稳定性系数服从Boltzmann 函数。随着内排压脚追踪距离的不断减小，端帮边坡的稳定性系数发生了断崖式的变化，内排压脚追踪距离与端帮边坡稳定性系数之间存在最优追踪距离。